新安晚報(bào) 安徽網(wǎng) 大皖 客戶端訊 記者從中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制出細(xì)胞原位納米磁共振成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，與中科院生物物理所徐濤院士團(tuán)隊(duì)合作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)細(xì)胞原位鐵蛋白分子中鐵離子的磁性自旋成像，將原位蛋白質(zhì)磁成像分辨率推進(jìn)到了10納米以下，為肝癌細(xì)胞拍出“超清寫真”。該研究成果以“Nanoscale magnetic imaging of ferritins in a single cell”為題，發(fā)表在2019年4月出版的《科學(xué)?進(jìn)展》期刊上。

原子核處于外磁場(chǎng)中，能夠吸收和放出對(duì)應(yīng)頻率的電磁輻射，發(fā)生磁共振現(xiàn)象?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)廣泛使用的磁共振技術(shù)就是利用這個(gè)原理成像。然而，傳統(tǒng)磁共振技術(shù)的空間分辨率在微米級(jí)別以上，無(wú)法對(duì)人體細(xì)胞內(nèi)部分子成像。細(xì)胞內(nèi)的生物分子大小為納米級(jí)別，產(chǎn)生的磁信號(hào)非常弱，線圈傳感器探測(cè)不了，拍不出“高清照片”，看不到單分子美妙結(jié)構(gòu)。在細(xì)胞原位實(shí)現(xiàn)生物分子的納米級(jí)磁共振成像和結(jié)構(gòu)解析一直是生物學(xué)研究的“皇冠”難題。

杜江峰院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)2015年發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的研究已經(jīng)表明，基于鉆石中的氮—空位點(diǎn)作為量子傳感器，能夠探測(cè)單個(gè)蛋白質(zhì)分子的磁共振譜，杜江峰團(tuán)隊(duì)在室溫大氣條件下獲取了世界首張單個(gè)蛋白質(zhì)分子的磁共振譜，實(shí)現(xiàn)了單分子磁共振的突破。2018年，該團(tuán)隊(duì)又在液體環(huán)境探測(cè)到了單個(gè)DNA分子的磁共振譜，實(shí)現(xiàn)了與生理環(huán)境的對(duì)接。

今年，杜江峰團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步，自主研制出細(xì)胞原位納米磁共振成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵器件是“鉆石傳感器”。將鉆石晶體結(jié)構(gòu)中的一個(gè)碳原子（6個(gè)電子）替換成氮原子（7個(gè)電子），加上緊鄰氮原子旁邊的一個(gè)空位，這就形成了“鉆石傳感器”的核心——氮-空位點(diǎn)缺陷，它等效為一個(gè)單電子自旋量子比特。“鉆石傳感器”能夠感應(yīng)并接收到來(lái)自樣品的微弱的磁信號(hào)，在激光和微波操控下，再將接收到的細(xì)胞分子的磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，用光子探測(cè)器讀出信號(hào)并結(jié)合原子力顯微鏡進(jìn)行成像。

杜江峰團(tuán)隊(duì)自制的納米磁共振成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能搭載著細(xì)胞樣品，精準(zhǔn)地靠近“鉆石傳感器”。為方便“鉆石傳感器”收集磁信號(hào)，細(xì)胞樣品在懸臂梁的帶領(lǐng)下，結(jié)合原子力顯微鏡的掃描方法，在空間上鉆石傳感器以納米級(jí)別的位移“走遍”整個(gè)細(xì)胞剖面，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞內(nèi)分子的成像。

這個(gè)納米磁共振成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，要“診斷”的“病人”是人的肝癌細(xì)胞株（HepG2）。細(xì)胞內(nèi)的鐵蛋白分子中含有鐵離子，其在室溫下具有順磁性，在納米磁共振成像實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，它發(fā)出的磁信號(hào)可以被“鉆石傳感器”探測(cè)到。

為了讓“調(diào)皮”的鐵離子得到準(zhǔn)確地檢查，最好是在原位為鐵離子成像。原位是指測(cè)量時(shí)不改變物質(zhì)的原始條件或把物質(zhì)從原來(lái)的系統(tǒng)中隔離出來(lái)。

課題組通過(guò)高壓冷凍替代方法將活細(xì)胞瞬間“凍住”，并用樹(shù)脂類材料包裹起來(lái)，再用切片的方法將表面修剪成納米級(jí)平整度。這樣，蛋白質(zhì)分子就會(huì)暴露在細(xì)胞剖面上，但又不會(huì)改變蛋白質(zhì)分子的原始條件，保證了鐵離子還存在于原有的系統(tǒng)中。

原子力顯微鏡就像體檢床，搭載著處理過(guò)的細(xì)胞樣品，在磁成像平臺(tái)上進(jìn)行掃描成像。最終，研究人員觀測(cè)到了細(xì)胞內(nèi)部存在于細(xì)胞器中的鐵蛋白，而且分辨率達(dá)到了10納米。

此次研究成果為未來(lái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞原位蛋白質(zhì)磁共振成像打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，也為開(kāi)展細(xì)胞原位分子尺度的磁共振譜學(xué)研究提供了可能。

范瓊 新安晚報(bào) 安徽網(wǎng) 大皖客戶端記者 陳牧